소금쟁이는 어떻게 물에 뜨고 앞으로 나아갈까

연못 가장자리에서 소금쟁이를 보고 있으면 두 장면이 번갈아 나타납니다. 긴 다리를 펼친 채 멈춰 있다가, 어느 순간 수면을 가로질러 쓱 나아갑니다. ‘표면장력 덕분’이라는 설명은 익숙하지만, 여기에는 서로 다른 질문 두 가지가 들어 있습니다. 무엇이 몸을 떠받치며, 무엇이 몸을 앞으로 보내는 걸까요?

수면에 별도의 껍질이 있는 것은 아닙니다

표면장력은 액체 표면이 넓어지는 데 저항하는 성질로 이해할 수 있습니다. 물 분자들이 서로 끌어당기는 응집과 연결된 현상입니다. 물방울이 둥글게 모이려는 모습과 작은 물체를 수면이 지탱하는 모습은 이 성질을 보여 줍니다. ^[9]

수면을 ‘팽팽한 막’에 비유하면 이해하기 쉽습니다. 다만 연못에 고무 같은 고체 껍질이 덮여 있다는 뜻은 아닙니다. 물끼리 끌어당기는 응집과 물이 다른 물질에 달라붙는 부착도 구분해야 합니다. 소금쟁이를 이해하려면 물의 성질과 다리 표면의 성질을 함께 살펴봐야 하는 이유입니다. ^[10]

다리 아래로 오목해지는 물이 몸을 받칩니다

다리가 수면을 누르면 물이 오목해집니다. 접촉선을 따라 작용하는 표면장력의 위쪽 성분이 몸을 받칩니다. 가는 다리에서는 이 힘이 지지의 대부분을 담당하지만, 물의 압력에 의한 부력도 일부 기여합니다. ^[1]

길게 뻗은 여러 다리는 하중을 나누어 받습니다. 긴 소수성 다리와 몸무게의 분산이 함께 작용한다는 것이 미국 지질조사국의 설명입니다. ‘발이 넓으면 무조건 뜬다’는 한 가지 조건으로 바꾸기보다는, 몸의 무게와 다리 배치, 물에 젖는 정도를 함께 보는 편이 좋습니다. ^[4]

물에 젖기 어려운 다리에도 구조가 있습니다

소금쟁이 다리의 발수성은 단순히 기름칠 한 겉면으로 설명하기 어렵습니다. 2004년 Nature에 발표된 연구는 일정한 방향으로 배열된 미세털과 그 위의 더 작은 홈에 주목했습니다. 표면의 화학적 성질에 이런 미세한 구조가 더해져 물에 쉽게 젖지 않는 다리가 됩니다. 왁스가 아무 역할도 하지 않는다는 뜻은 아닙니다. ^[2]

그렇다고 다리와 물 사이에 접촉이 전혀 없는 것도 아닙니다. 털 사이에 공기가 남는 상태에서도 개별 털은 물과 만납니다. 방향성 부착을 조사한 연구는 기울고 휘어진 털 때문에 물과 상호작용하는 힘이 움직이는 방향에 따라 달라질 수 있음을 보여 주었습니다. 물을 잘 튕기는 표면이면서도 물에 힘을 전달할 수 있는 셈입니다. ^[8]

앞으로 가려면 물을 뒤로 밀어야 합니다

가운데 다리의 노젓기는 물을 뒤로 밀어 몸을 전진시킵니다. MIT 연구진의 2003년 고속 영상·입자 추적 실험에서는 주요 운동량 전달 경로가 모세관파보다 수면 아래 소용돌이였습니다. 보이는 파문만으로 추진을 모두 설명할 수는 없습니다. ^[1][3]

사진에서 확인할 수 있는 것과 실험으로 밝혀야 하는 것도 다릅니다. 수면의 둥근 물결은 사진에 잡히지만, 그것만 보고 물속 소용돌이의 모양이나 힘의 크기를 읽어낼 수는 없습니다. 위 사진은 물결을 관찰하는 자료이며, 논문 속 유동 실험을 대신하는 증거는 아닙니다.

여섯 다리는 어떻게 일을 나눌까요

소금쟁이는 다리가 세 쌍인 곤충입니다. 미국 국립공원관리청은 짧은 앞다리를 먹이를 붙잡는 도구로, 가운데 다리를 주요 추진 도구로, 뒷다리를 방향 조절과 제동에 관여하는 다리로 설명합니다. 물 위의 생활에는 떠 있기와 이동하기뿐 아니라 먹이를 다루는 일도 포함됩니다. ^[5]

이 역할을 영구적으로 고정된 분업표로 생각하면 곤란합니다. 2024년 여러 크기의 소금쟁이를 비교한 연구에서는 추진 뒤 미끄러지는 동안 지지 다리 배치가 달라졌습니다. 일부는 한쪽 가운데 다리를 앞으로 내밀어 몸을 받쳤습니다. 어떤 다리가 물에 닿는지는 종과 크기, 동작 단계에 따라 달라질 수 있습니다. ^[7]

‘발수성’은 어떤 물도 묻지 않는다는 뜻일까요

물방울이 다리 위에서 직접 맺히면 어떻게 될까요? 2015년 PNAS 연구는 응결 물방울이 털 사이로 들어간 뒤, 자라면서 휘어진 털의 탄성으로 밀려나는 과정을 관찰했습니다. 발수성은 어떤 물도 닿지 않는다는 뜻이 아닙니다. ^[6]

이 결과는 습도를 조절한 챔버에 다리를 고정한 실험에서 얻었습니다. 모든 날씨에서 젖지 않는다는 보증은 아닙니다. 물방울 제거와 전진 추진도 구별해야 합니다. ^[6]

다음에 소금쟁이를 만나면 볼 세 가지

먼저 멈춰 있을 때를 보세요. 다리가 닿는 자리의 수면과 빛 무늬가 주변과 어떻게 다른지 살펴봅니다. 다음에는 움직임을 보세요. 다리를 미는 순간과 몸이 미끄러지는 순간을 나누어 봅니다. 마지막으로 사진 속 증거의 한계를 기억합니다. 미세털의 홈이나 물속 소용돌이는 평범한 전경 사진만으로 확인할 수 없습니다.

소금쟁이는 물의 성질, 다리의 표면 구조, 다리 움직임이 함께 작동하는 작은 창조물입니다. 떠 있는 이유를 알았다고 움직이는 이유까지 설명한 것은 아닙니다. 두 질문을 나누면, 연못 위의 짧은 활주에서도 훨씬 많은 것을 읽을 수 있습니다.

참고 자료

1. The hydrodynamics of water strider locomotion
2. Biophysics: water-repellent legs of water striders
3. MIT leaps to solution of walking-on-water mystery
4. Surface tension allows a water strider to walk on water
5. Species Spotlight – Water Striders
6. Self-removal of condensed water on the legs of water striders
7. Physics of sliding on water explains morphological and behavioural allometry across a wide range of body sizes in water striders (Gerridae)
8. Interfacial propulsion by directional adhesion
9. Surface Tension and Water
10. Adhesion and Cohesion of Water